近海海洋水色遙感技術對赤潮的監測

馬寧 母景琴 杜瑞慶

摘 要：我國近海區域海水水質由于水體富營養而呈現變壞的趨勢，發生赤潮的次數越來越多，而赤潮與水體中葉綠素a、總懸浮物的濃度有關。通過遙感平臺上搭載的探測器對海表水色信息進行收集與分析，可以高效地對大面積海域進行長時間連續地監測，從而為海洋防災減災工作提供科學參考依據。

關鍵詞：海洋水色 遙感技術 水體富營養化 赤潮 葉綠素a 總懸浮物

中圖分類號：P273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0007-02

我國近海區域海水水質隨著沿海經濟的發展呈現變壞的趨勢，近幾十年發生過多次赤潮，其主要原因就是水體富營養化。在漁業上，赤潮直接帶來了巨大損失，有時候赤潮還威脅到人類與動物的生命。因此，找到發生赤潮的規律及赤潮產生的原因至關重要，這就需要對近海區域海水水質進行長時間的監測，除了現場采集海水樣品進行分析研究之外，利用衛星遙感數據對海水水質的監測越來越受到人們的重視。

1 水體富營養化

富營養化是指水體在自然因素和（或）人類活動的影響下，大量營養鹽（如氮、磷等）隨著流水流入到湖泊、水庫、河口、海灣等水體，使水體在比較短的時間內由貧營養狀態向的富營養狀態變化的一種現象。在不受人類干擾或很少受到人類干擾的自然條件下，湖泊這種從貧營養狀態過渡到富營養狀態的自然過程非常緩慢，一般需要上千年或更長時間；而人為排放的工業廢水與生活污水中含有大量的使水體富營養化的營養物質，因此在短時間內可以使水體富營養化，且這種狀態會持續較長時間。其最主要的表現是：藻類及其它浮游生物的繁殖速度變快，藻類等大量生物越來越多，使水體含氧量下降，水質逐漸惡化，因為缺少氧氣而使得魚類及其他生物大量死亡[1]。

水體出現富營養化現象時的最主要表現是：浮游藻類大量繁殖，即所謂的“水華”。由于占優勢的浮游藻類因種類不同而擁有不同的顏色，水面往往呈現不一樣的顏色：例如藍色、紅色、棕色、乳白色等。海洋中的“赤潮”就是海水中出現了這樣的現象。

評價水體富營養化的方法主要有：營養狀態指數法，營養度指數法和評分法。營養狀態指數法中根據水體透明度制定的卡爾森指數是最常用的評價水體富營養化的方法之一。后來，日本的相崎守弘等人提出了修正的營養狀態指數（TSIM），即以葉綠素a濃度為基準的營養狀態指數。這也是近海水域海水水質監測使用最多的一個指數。

除了浮游植物對水色的影響，懸浮物和黃色物質對海洋水色也會產生一定的影響。因此，在研究近海海洋水色時，也要考慮到這些因素。

2 我國近海區域赤潮發生情況

赤潮是對近海區域海水水質影響最大的自然災害之一。它是由于海水富營養化造成海洋浮游生物過度繁殖而致使海水變色的現象。大部分赤潮是有毒的，一般會造成漁業經濟的損失，甚至會導致海洋生物的死亡，甚至會造成人畜死亡。因此，赤潮已經成為全球海洋的公害之一，如何減少赤潮的發生、如何監測赤潮從而得到它的發生規律等科研課題已經成為國際海洋環境研究的重要內容。

隨著我國海洋開發和沿海地區經濟的快速發展，我國赤潮災害發生越來越頻繁。如圖1所示，在上個世紀90年代中期，我國沿海每年發生赤潮的平均次數不超過10次；進入21世紀以來，每年發生的赤潮次數逐年高速增加，2003是赤潮發生次數最多的年份，為119次；隨后10年以來，赤潮發生次數盡管有所減少，但一直維持在60次以上的高位，只是在2011年和2013年發生次數稍低于60次。按此規律發展，我國沿海發生赤潮的次數將維持在40次以上的高位。赤潮災害是我國海洋環境研究的重要內容之一，其監測與防治成了當今海洋環保的重大課題。

目前，我國對于赤潮災害的監測手段主要有：船舶定點監測、岸站和浮標監測、衛星（航空）遙感監測等手段。海洋水色遙感技術是近幾十年來發展起來的最新監測手段，它的優點是：可提供大面積、長期、定點連續的觀測。利用多種監測手段對比研究，是了解赤潮發生時間、覆蓋面積、發生的程度和擴散方向、發生規律等的重要手段[2]。

3 海洋水色遙感技術

海洋水色是指海水的顏色，從深藍到碧綠，從微黃到棕紅。大洋海水顏色多為蔚藍，沿岸海水則多呈淡綠色。海洋水色遙感技術是近年興起的海洋探測技術。它通過各種遙感平臺上的探測器對海洋表面的水色進行探測，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、泥沙含量及黃色物質濃度，進而得到關于海洋的各種信息。

隨著航天技術的不斷發展，水色遙感器也經歷了幾個階段的發展。

（1）1978年，美國航空航天局成功發射了海岸帶水色掃描儀CZCS（Coast zone color scanner）衛星，它是第一顆極軌水色衛星[3]。它被用來探測I類水體，它的水色波段有443nm、520nm、550nm共3個，可以對衛星下點39°進行掃描；由于當時硬件的限制，中數量化級別只有8bit，因此與后來的水色遙感器相比，它的光譜分辨率與輻射靈敏度都相對較低[4]。不過，CZCS第一次實現了從太空對海洋水色相關數據進行記錄，為以后的水色遙感器的發展指明了方向。

（2）第二代海洋水色遙感器為海洋寬視場觀測儀SeaWiFS（sea viewing wide field of view sensor），它搭載在水色衛星SeaStar上。此時，遙感器的硬件比上世紀70年代末有了長足的發展，它補充了CXCS的數據集，波段從3個增加到8個，數據量級數也從8bit提高到10bit，可在星下點53.8度進行掃描。與第一代水色遙感器相比，它的噪聲較低、精度較高，且波段可以進行優化配置[5]。

（3）中等分辨率成像光譜儀MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）搭載在Terra與Aqua衛星上，它是第三代的海洋水色遙感器。它被認為是SeaWiFS的接替者，每天分別于上、下午從北向南穿越赤道。它于星下55度進行進行掃描，波段大大增加到36個，數量化級也提升到12bit。同期發展起來的還有中等分辨率遙感器如MERIS（16bit），它們在歷史上都為監測海洋水色做出了一定的貢獻[6]。

（4）地球靜止水色圖像儀GOCI（Geostationary ocean color imager）搭載在韓國于2009年發射的第一顆地球靜止氣象衛星COMS（communication ocean and meterological satellite）上的水色遙感器，它的波段設置與SeaWiFS、MODIS相似，但不獲取從可見光到近紅外共8個波段的遙感物理量，另外它的連續觀測時間比較長，監測范圍固定且較大[7]。它觀測到的數據誤差小、數據缺失率低，既可提供短期的觀測，也可提供長期的觀測，對海洋系統循環變化、海上突發事件實時監測及手續消除治理等工作都有很重要的作用，發展前景良好[8]。

GOCI的水質參數算法包括葉綠素算法、總懸浮物TSS（Total suspended solid）算法、有色可溶性有機物質CDOM（colored dissolved organic matter）算法、赤潮指數RI（redtide index）算法、植被指數算法等。收集到的數據經過大氣校正，可對“赤潮”的發生進行監測、對水色物質、海上溢油、海上傾廢處理進行長期大面積監測。

GOCI曾經對我國黃海及東海大面積飄浮綠藻進行了長時間的監測，掌握了這些綠藻的擴散方向及動態變化，為監測“赤潮”的發生提供了非常有價值的信息，也為當地漁業、養殖業部門提供了海上災害預警，也為我國海洋監測提供了大量有用且可靠的海洋水色信息。

4 結語

從20世紀90年代以來，我們近海發生赤潮的次數呈現出不斷增加并在高位徘徊的趨勢，由于赤潮會給人類帶來巨大的損失，對于赤潮的監測則顯得非常重要。赤潮發生時，海洋水色會發生一定的變化，通過搭載在衛星上的海洋水色遙感器對海洋水色進行大范圍、長時間的監測，并結合現場數據可掌握赤潮發生的情況，從而找到赤潮發生的規律，可以為將來找到赤潮發生原因并減少赤潮發生次數打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 王明翠，劉雪芹，張建輝.湖泊富營養化評價方法及分級標準[J].中國環境監測，2002，18（5）：47-49.

[2] 張春桂，曾銀東，張星，等.海洋葉綠素a 濃度反演及其在赤潮監測中的應用[J]. 應用氣象學報，2007，18（6）：821-831.

[3] 陳淼.海洋水色衛星遙感算法綜述[D].青島：中國海洋大學，2005.